KR100572046B1

KR100572046B1 - 수직 주입관, 스파져, 주입구 내부의 나사선 및 경사주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접주입계통

Info

Publication number: KR100572046B1
Application number: KR1020030004823A
Authority: KR
Inventors: 서균렬; 윤상혁
Original assignee: (주)필로소피아
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2006-04-18
Also published as: WO2003063177A1; KR20030064634A

Abstract

본 발명은 비상 노심 냉각수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로 용기 직접주입 (Direct Vessel Injection) 방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 혹은 신형 원자로에 있어서, 원자로 용기에 수평한 안전주입관에 수직관을 덧대거나 스파져(sparger)를 설치해 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통, 안전주입관을 원자로 상부 헤드에 설치하여 주입수의 수직방향 운동량을 극대화하는 비상노심냉각수 주입 계통, 안접주입수의 주입구 부분에 나사선을 가공하여 주입되는 물이 회전되도록 함으로써 증기의 저항을 덜 받게 하여 안전주입수의 노심 침투를 극대화하는 비상노심냉각수 주입계통, 및 안전주입관이 원자로 용기 벽면에 일정한 각도를 가지고 설치되어 주입된 냉각수가 일정한 각도로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통에 관한 것이다.

본 발명의 원자로 용기 수직직접주입 방법은 노심냉각수의 수직방향 운동량을 크게 증가시키고, 수평방향으로 주입된 노심냉각수가 강수부 내벽에 부딪쳐 원주방향으로 펼쳐지는 액막퍼짐(impingement) 현상을 방지하는 효과가 있어 원자로 냉각재 상실 사고시 냉각재 고갈에 따른 노심 온도의 급격한 상승을 막는데 탁월한 효과를 보인다.

가압형 경수로 (Pressurized Water Reactor: PWR), 비등형 경수로 (Boiling Water Reactor: BWR), 신형 원자로 (Advanced Reactor), 냉각재 상실사고 (Loss-of-Coolant Accident: LOCA), 원자로 (Reactor), 원자로 용기 직접 주입 (Direct Vessel Injection: DVI), 원자로 용기 수직 직접 주입 (Direct Vessel Vertical Injection: DVVI), 안전 주입 (Safety Injection: SI), 비상 노심 냉각수 (Emergency Core Coolant: ECC), 비상 노심 냉각 계통 (Emergency Core Cooling System: ECCS), 신형경수로 (Advanced Power Reactor 1400 MWe: APR1400), 개량형 신형경수로 (APR-II), 제4세대 원자력 시스템 (Generation IV Nuclear Energy System)

Description

수직 주입관, 스파져, 주입구 내부의 나사선 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통{DIRECT VESSEL INJECTION SYSTEM FOR EMERGENCY CORE COOLING WATER USING VERTICAL INJECTION PIPE, SPARGER, INTERNAL SPIRAL THREADED INJECTION PIPE, AND INCLINED INJECTION PIPE}

도 1은 원자로용기 수직직접주입의 한 실시예의 개략도.

도 2는 APR1400의 원자로용기 수직직접주입의 예상 단면도.

도 3은 저온관 주입 방식과 원자로용기 직접주입방식의 한 실시예의 단면도.

도 4는 보호판을 이용한 DVI 수직주입방식의 한 실시예의 단면도로서 (a)는 원자로에 보호판이 설치된 사시도이며, (b)는 보호판의 일 실시예인 원판이 부착된 모습을 보여주는 부분 확대도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파져(sparger)를 이용한 DVI 수직주입방식을 보여주는 도면으로서, (a)는 스파져가 설치된 원자로의 하부에서 본 하면도이며, (b)는 스파져가 설치된 원자로의 상부에서 내려다본 상면도, (c)는 스파져의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도.

도 6의 (a)는 DVI를 경사 주입하는 방식의 한 실시예의 단면도이며, (b)는 (a)의 경사 주입과의 비교를 위한 DVI 수평주입의 한 실시예의 단면도.

도 7은 안전주입수 주입관의 주입구 부에 나사선을 가공한 것을 보여주는 투 시도.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상냉각수 주입관(DVI관)을 원자로 상부 헤드에 설치한 상부도.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접주입 방식 중 (a)수평 주입방식과 (b)수직 주입방식에 대한 다차원 유동 실험을 위하여 CFX 코드를 사용하여 강수부를 모사한 사시도.

도 10은 도 9에 따른 강수부 모형에 따라 다차원 유동 실험을 행하여 (a)수평주입과 (b)수직주입의 하향속도 분포를 도시한 비교도.

도 11은 다차원 유동 실험을 통한 수평 주입과 수직 주입의 등속면 분포도.

도 12은 다차원 유동 해석에 사용된 강수부 노즐들의 배치에 대한 개략도.

도 13은 도 12의 각 노즐들을 통해서 비상노심냉각수를 주입할 경우 수평주입과 수직주입 방식의 안전주입관으로부터 높이에 따른 속도 분포를 비교한 그래프.

도 14는 도 13의 그래프를 종합한 (a)수평 방향 주입과 (b)수직 방향 주입의 속도 분포를 비교한 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:원자로 2:저온관

3:저온관 주입 선로 4:용기 직접주입관

5:원자로 상부 헤드 6:수직주입관

7:보호판 8:강수부

9:고온관 10:스파져

본 발명은 수직관, 스파져, 주입관 내부의 나사선, 경사 주입관과 원자로 상부 헤드에 설치된 안전 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입 방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형 비등경수형 혹은 신형 원자로에 있어서, 원자로 용기에 수평한 안전주입관에 수직관을 덧대거나 스파져(sparger)를 설치하거나 주입관 내부에 나사선을 설치해 안전 주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통 또한 침투를 강화하기 위하여 주입관을 원자로 측면이 아닌 원자로의 헤드에 설치한 비상노심냉각수 주입 계통 및 안전주입관이 원자로 용기벽면에 일정한 각도를 가지고 설치되어 주입된 냉각수가 일정한 각도로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통에 관한 것이다.

원자핵을 연료로 사용하여 에너지를 생산하는 원자로 중에서, 특히, 핵연료의 핵반응에 의해 발생된 열에너지 운반매체인 냉각재로써 경수를 사용하고, 또 그 냉각재가 원자로 용기 내에서 비등하지 않도록 원자로 내부의 압력이 일정 크기 이상으로 유지되도록 하는 원자로를 가압형 경수로(Pressurized Water Reactor: PWR)라고 하고, 냉각재가 원자로 용기 내에서 비등하여 증기를 직접 생산하는 원자로를 비등형 경수로(Boiling Water Reactor: BWR)라고 한다.

이러한 가압형 경수로 혹은 비등형 경수로 원자력 발전소 설계 시에는 안전을 위해서 실제로 발생하기 어려운 가상사고까지 고려하는바, 이러한 가상사고 중에서 원자로 냉각재 계통의 경계가 손상되어 냉각재가 계통 외부로 유출되는 사고를 특히 냉각재 상실사고라고 한다.

원자로에서 냉각재 상실사고가 발생되면, 핵연료봉 표면의 온도가 급상승하게 된다. 따라서, 원자로에는 이렇게 핵연료봉 표면 온도를 급상승시키는 냉각재 상실사고에 대비하여, 원자로 내의 냉각재가 상실되는 경우 비상 노심 냉각수를 외부에서 고압으로 원자로 용기 내부로 주입할 수 있는 공학적 안전설비 (Engineered Safety Features: ESF)가 설치되는데, 이것을 통상 비상 노심 냉각계통(Emergency Core Cooling System: ECCS)이라고 말한다.

원자로의 안전주입계통에서 원자로 노심으로 비상 냉각수를 주입하는 방법으로는 저온관 주입 (Cold Leg Injection: CLI)과 원자로용기 직접 주입 (Direct Vessel Injection: DVI)이 있다. 종래에는 안전주입 노즐이 각 저온관에 연결되어 안전주입수를 그 저온관을 통하여 주입하는 안전주입 선로가 사용되어 왔다. 기존의 저온관 주입 방식은 안전주입계통을 2개의 안전주입 선로(train)로 구성하여 각 안전주입선로에 고압 안전주입 펌프와 저압 안전주입 펌프를 배치하여 저온관이 파손되고 안전주입선로 중 1개가 작동되지 않는 경우에도 각각의 저온관으로 비상 노심 냉각수를 주입할 수 있도록 설계되어 있다. 그런데 원자력발전소에 대한 확률론적 안전성 분석 (Probabilistic Safety Assessment: PSA) 결과에 따르면 안전주입계통을 기계적 4-안전주입선로로 설계할 경우 2-안전주입선로의 경우에 비해 발전 소의 안전성을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.

그러나 안전주입계통을 4-안전주입선로로 설계하고 저온관주입방식을 사용하면 저온관이 파단되는 대형 냉각재 상실 사고로 비상 전원 계통을 1-안전주입선로만 사용할 수 있을 경우 노심 냉각에 필요한 충분한 유량을 공급하려면 고압 안전주입펌프와 저압 안전주입펌프 각 4대가 필요하게 된다. 반면, 이 경우에 원자로용기 직접주입 방식을 사용하면 저온관 파단시 종전의 안전주입 용량보다 작은 용량의 펌프로도 계통을 구성할 수 있게 된다. 또한, 종래 비상 노심 냉각계통에서와 같이, 안전주입노즐이 저온관에 연결되면, 저온관 파단 사고시, 안전주입 노즐을 통해 원자로 노심 측으로 유입되어야 할 안전주입수가 저온관으로 역류하여 노심에 도달하지 못하는 문제가 생기게 된다. 즉, 안전주입 노즐을 통해 유입되는 안전주입수가 압력 차에 의해 저온관으로 역류하는 냉각재에 혼합되어 저온관의 파단 부분을 통해 동반 유출되기 때문에 안전주입수가 정작 노심에는 도달하지 못하게 되는 현상이 일어난다.

근래에는, 이러한 문제가 감안되어, 도 3에 비교 도시된 바와 같이, 안전주입관을 원자로 용기에 직접 연결하여 비상 노심 냉각수를 원자로 용기 내로 직접 유입시킴으로써, 저온관이 파단되더라도 안전주입수가 파단된 저온관을 통해 계통 외부로 유출되지 않는, 따라서, 안전주입수가 바로 노심 측으로 도달되게 하여 노심을 냉각시킬 수 있게 하는 방안이 제시되었다. 이렇게 안전주입관을 원자로 용기에 직접 연결하여 비상 노심 냉각수가 직접 원자로 용기 속으로 분사되게 하는 방식을 원자로용기 직접 주입방식이라고 한다.

현재의 기술 개발 추세를 보면, 미국의 개량형 원자로인 System 80+^TM에서는 4-안전주입선로 원자로용기 직접주입 방식으로 비상 노심 냉각 계통을 설계하고 있다. 미국 전력연구원(EPRI: Electric Power Research Institute)의 개량형 원자로 사업자설계요건문서(ALWR URD: Advanced Light Water Reactor Utility Requirements Document)에서도 비상 노심 냉각 계통의 안전주입 방식을 기존의 저온관 주입 방식에서 원자로 용기내 강수부로 직접 주입하는 방식으로 설계하도록 추천하고 있다. 이러한 추세에서 한국의 신형경수로 APR1400 설계에서도 비상 노심 냉각수 주입 방식으로 원자로용기 직접 주입방식을 채택하였다.

그러나, 이와 같은 원자로용기 직접 주입방식에 있어서도 안전주입수가 유출될 가능성이 있다. 즉, 안전주입관이 저온관의 위쪽에 설치되면, 냉각재 유입관인 저온관이 파단될 경우에 안전주입관을 통해 주입되는 안전주입수가 원자로용기 내벽을 따라 이동하다가 파단된 저온관으로 역류하는 냉각재와 함께 저온관을 통하여 상당량 동반 유출될 우려가 있다. 그러나, 안전주입관이 저온관의 아래쪽에 설치되면, 이 안전주입관을 통해서 저온의 안전주입수가 고온고압상태의 원자로 용기에 급속히 유입되어 가압 열 충격(Pressurized Thermal Shock: PTS) 등이 발생하므로 원자로 용기(1)의 건전성 문제가 야기될 뿐만 아니라, 특히 안전주입관이 파단되는 경우 안전주입관을 통해 유출되는 냉각재의 양이 직접용기주입노즐(6)을 원자로 저온관 노즐(2) 위에 부착하는 경우보다 훨씬 많다는 문제점이 생기게 된다.

이러한 문제를 해소하기 위하여, 미국 특허 공개번호 제 5135708호의 'Method of injection to or near core inlet'에서는 안전주입의 효과를 최대화할 목적으로 원자로 용기 내부에 저온관 상부의 안전주입관으로부터 노심 지지대 하단까지 원통형 또는 관형의 안전주입 통로를 설치하는 방법을 공개하고 있다.

그러나, 이 방법은, 저온관 파단사고의 경우 안전주입수를 노심의 하단으로 직접 공급할 수는 있으나, 원자로 용기 밖의 안전주입관이 파단되는 사고가 발생되면, 사이펀 효과(siphon effect)에 의해 원자로 내의 냉각재가 원자로 용기 내의 냉각재 수위가 노심이 완전히 노출될 때까지 지속적으로 빠져나가기 때문에, 원자로 용기 속에서 노심의 용융을 방지해야할 냉각재의 양이 크게 부족하게 되는 심각한 결과를 초래하게 된다.

또한 대한민국 특허 공보 제 10-0319068호의 '사이펀 효과 차단 및 증기유량과의 접촉을 차단하기 위한 원자로 내의 안전주입 선로'에는 냉각재 유입관인 저온관 파단 사고시, 그 저온관으로 유출되는 안전주입수의 양을 최소화하고 안전주입관을 통해 냉각재가 지속적으로 유출되게 하는 사이펀 효과를 차단하며 증기유량과의 접촉을 차단하기 위하여, 원자로의 저온관보다 높은 위치에 설치되고, 틈새를 가지고 결합되는 직접 주입노즐로서 이로부터 분사되는 안전주입수를 상기 원자로 입구노즐을 우회, 유도하여 원자로 용기의 하부공간으로 주입하는 안전주입 배관을구비하는 직접 주입노즐이 개시되어 있다.

그러나, 이와 같은 노즐은 틈새를 통하여 사이펀 효과를 막는다고 되어 있으나 원자로 용기에서 저온관보다 더 낮은 위치에서 비상노심냉각수를 주입하는 안전주입관으로 인하여 사이펀 효과를 막기 어려우며, 또한 안전주입관이 노심과 너무 근접한 위치에서 냉각수를 분사하게 되어 가압 열 충격이 예상된다.

이에 본 발명은 수직관, 스파져 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통을 이용하여 가압 열 충격과 사이펀 효과를 효과적으로 방지함을 그 목적으로 한다. 또한 본 발명은 비상 노심 냉각수 주입시 다량의 냉각수가 파단 부로 우회함으로 말미암아 노심으로 침투되지 못하는 단점을 보완하고자 수직직접주입을 통해 하향 방향 운동량을 증가시켜 원자로 강수부에서 증기에 의해 우회되지 않고 하부로 침투하는 안전주입수의 양을 증가시키는 것을 목적으로 한다.

좀더 상세하게 본 발명의 원자로용기 수직직접주입 방법은 핵 증기 공급 계통(Nuclear Steam Supply System: NSSS)의 냉각재상실사고시 비상 노심 냉각수 직접 주입 방식을 사용하는 원자로에서 핵연료봉 온도를 적정 수준 이하로 유지시키기 위해 기존의 수평 주입 방식보다 더 효율적이고 안정적으로 안전주입수를 강수부(downcomer)를 통해 하부공동(lower plenum)으로 침투시키는 것을 목적으로 한다. 일반적으로 사용되는 원자로용기 직접 주입 방법에서는 수평으로 원자로용기 내에 주입된 냉각수가 원주 방향으로 유입하기 때문에 강수부 하부에서 수직으로 상승하는 증기에 의해 하부공동으로 침투하지 못하고 파단 부로 우회되는 양이 상당히 크다. 그러나 원자로용기 수직직접주입 방법은 안전주입수의 수직방향 운동량을 크게 증가시키고 수평방향으로 주입된 안전주입수가 강수부 내벽에 부딪쳐 원주방향으로 펼쳐지는 액막퍼짐(impingement) 현상이 일어나지 않기 때문에 안전주입수 우회에 의한 핵연료봉 노출 가능성을 크게 줄이는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 신형경수로 APR1400에 적용되고 있는 원자로용기 직접 주입 계통에 응용·적용할 경우 원자로 안전성 확보에 큰 역할을 담당하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 적용은 하기 발명의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 드러날 것이다.

이하, 본 발명에 의한 수직관, 스파져, 주입구 내부의 나사선 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통 및 이러한 비상 노심 냉각수 주입관을 원자로 용기 상부 헤드에 설치한 원자로 용기 직접 주입계통에 대해 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 수직관, 스파져, 주입구 내부의 나사선 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통 및 이러한 비상 노심 냉각수 주입관을 원자로 용기 상부 헤드에 설치한 안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형 또는 신형 원자로에 있어서, 원자로 용기에 수평한 안전주입관에 수직관을 덧대거나 스파져를 설치해 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하거나, 주입관에 나사선을 형성함으로써 주입수가 증기의 저항을 덜 받고 노심에 침투되도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통 및 안전주입관이 원자로 용기벽면에 일정한 각도를 가지고 설치되어 주입된 냉각수가 일정한 각도로 노심으로 침투하도록 하거나 이러한 안전주입관을 원자로의 상부 헤드에 설치 함으로써 주입수의 수직방향 운동량을 극대화하여 효과적으로 안전주입수를 주입하는 비상노심냉각수 주입 계통으로 이루어져 있다.

상기의 계통에 대하여 이하 좀더 상세하게 설명한다.

도 1은 안전주입수가 저온관(2)과 별개로 설치된 안전주입관(4)으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로(1)에 있어서, 원자로 용기에 수평한 안전주입관(4)에 수직관(6)을 덧대어 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통을 보여준다.

안전주입관(4)은 저온관(2)의 상부에 위치하는데, 이는 종래 기술에서 설명하였듯이 안전주입관이 저온관보다 하부에 설치되는 경우에는 안전주입관이 파단되는 사고가 일어나면 오히려 안전주입관으로 냉각수가 유출될 위험이 있으므로 이를 막기 위함이다. 본 계통의 원자로 용기는 일반적인 수평직접 주입과 원자로 외부에서는 동일한 계통을 사용하며 원자로 내부에서는 수평과 달리 수직 주입 형태의 구조물을 더 갖고 있는 형태인데, 이러한 수직관(6)은 그 폭이 안전주입관의 폭과 거의 같고, 상기 수직관의 하단의 위치는 저온관의 상단보다 위이다. 수직관(6)의 폭이 안전주입관(4)의 폭과 거의 같음으로 인하여 안전주입수의 유입압력이 수직관에 의해서 더 상승하지 않으므로 안전주입수 유입이 수월해진다. 만약 수직관의 폭이 안전주입관의 폭이나 강수부의 폭에 비해서 작게 되면, 수직관을 통해 사이펀 효과에 의한 냉각수의 유출이 있을 수 있는바 수직관의 폭은 안전주입관의 폭과 거의 같도록 한 것이다. 수직관의 길이는 수직관의 하단의 위치가 저온관의 상단에 미치 지 않는 범위에서 다양할 수 있다. 수직관의 하단이 저온관의 상단 위치보다 낮을 경우에는 냉각수가 노심에 너무 근접한 위치에서 유입되어 가압 열 충격이 일어날 수 있으며, 또한 안전주입관의 파단 사고 시에는 냉각수를 공급해야할 안전주입관을 통해서 원자로용기내의 냉각수의 수위가 수직주입관의 하부보다 더 낮아질 때까지 유출되며, 저온관을 통해 유입되는 냉각수까지 안전주입관으로 유출될 수 있어, 유출이 더 많이 일어나게 되므로 노심의 냉각수의 수위가 낮아져 노심의 냉각이 제대로 되지 않아 위험하다.

도 2는 APR1400의 원자로용기 수직직접주입의 예상 단면도로서 수직관을 덧댄 안전주입관이 설치된 높이 등을 볼 수 있도록 전체 원자로의 모습과 치수를 도시한 본 발명에 의한 원자로의 한 예시이다.

도 3은 저온관 주입 방식과 원자로용기 직접주입방식의 한 실시예의 단면도로서 직접주입 방식의 안전주입관(4)과 종래 기술에 의한 저온관에 연결된 안전주입 선로(3)를 보여준다. 도 3을 보면 알 수 있듯이 저온관에 안전주입 선로가 연결되는 경우에 저온관 파단사고시 안전주입수가 원자로 용기로 들어가지도 못하고 파단부위에서 흘러나오는 것을 알 수 있다. 그에 비해서 직접주입 방식은 그러한 위험이 없다.

도 4는 보호판(protection disk)을 이용한 원자로 용기 직접 주입의 수직주입방식의 한 실시예의 단면도로서 (a)는 보호판이 설치된 원자로의 사시도이며, (b)는 보호판의 일 실시예인 원판이 부착된 모습을 보여주는 부분 확대도이다. 도 4의 (a)를 보면 수직관(6)의 입구에 보호판(7)을 부착하여 증기의 저항을 최소화하 고 안전주입수의 노심 침투를 극대화하기 위한 것이다. 이 판(7)은 냉각재 상실 사고시에 냉각되지 않은 노심의 열로 인하여 다량의 증기가 발생하여 비상 노심 냉각수의 유입에 저항하는바 이러한 증기의 저항을 최소화하고 안전주입수의 노심 침투를 극대화하기 위해서 수직관의 입구에 설치한다. (b)는 이러한 보호판의 일 실시예로서 원추형의 판을 3개의 연결선을 통하여 수직관의 입구에 설치한 형상을 보여준다. 이러한 원추형 형태의 판을 이용함으로서 증기의 저항으로 인한 주입수의 강수부 하강 방해를 최소화 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파져(sparger)를 이용한 수직주입방식을 보여주는 도면으로서, (a)는 스파져가 설치된 원자로의 하부에서 본 하면도이며, (b)는 스파져가 설치된 원자로의 상부에서 내려다본 상면도, (c)는 스파져의 단면을 개략적으로 보여주는 단면도이다.

도 5의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 원자로 상부 헤드에서 직접 주입하는 방식과 스파져를 이용해 주입하는 방식을 결합한 실시예이다. 비상냉각수가 주입되는 위치에 환형관을 설치하여 강수부내에 골고루 살수되도록 하기 위한 것이다.

도 5의 (c)는 안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로에 있어서, 원자로 용기에 수평한 안전주입관에 스파져(10)를 설치해 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통을 개시한다.

도 6은 냉각수를 경사 주입하는 방식의 한 실시예의 단면도이다. 본 발명은 도 6의 (a)에서 보이듯이 비상 노심 냉각수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형 또는 신형 원자로에 있어서, 안전주입관이 원자로 용기 벽면에 일정한 각도를 가지고 설치되어 주입된 냉각수가 일정한 각도로 노심으로 침투하도록 하는 비상노심냉각수 주입 계통을 개시한다. 각도 θ는 0°를 초과하고 90° 미만인 범위에서 변할 수 있으며, 각도 θ가 커질수록 안전주입수의 노심으로의 침투가 효과적이 된다. 다만, 원자로의 구조물은 매우 복잡하여 이러한 경사 각도의 구조물이 첨가되기는 어려울 수 있으며, 이런 경우에는 수평 또는 수직으로 안전주입관이 통과하는 구조물을 설치하고 그 안의 안전주입관, 즉 실질적으로 안전주입수가 흐르는 배관에만 경사를 주는 방법으로 본 발명을 실행할 수 있다.

도 6의 (b)는 (a)와 비교하기 위하여 종래 방식의 냉각수 수평 주입방식의 한 실시예의 단면도를 보여준다. 도면에 표시된 안전주입수의 흐름을 보면 알 수 있듯이, 수평으로 주입한 경우에 원자로 하부의 노심에까지 다다르기 전에 안전주입수가 퍼짐으로써 그 온도가 상승하여 노심을 냉각시키는 안전주입수의 역할을 수행하는데 있어서는 수평 주입방식보다 본 발명에 의한 경사 주입 방식이 우수함을 볼 수 있다.

도 7은 안전주입수 주입관의 주입구 부에 나사선을 가공한 것을 보여주는 3차원도이다. 도 7과 같이 안전주입수의 주입구 부분에 나사선을 가공하면 주입되는 물이 회전함으로써, 총기류에서 총알이 발사될 때 회전하면서 발사되면 공기의 저 항을 덜 받는 것과 같이, 증기의 저항을 덜 받음으로써 노심의 침투를 효과적으로 할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비상냉각수 직접주입관을 원자로 상부 헤드에 설치한 모습을 보여주는 상부도이다.

비상냉각수 주입관을 종래 기술처럼 용기의 측면에 설치하지 않고, 원자로 용기의 상부헤드에 설치함으로써 주입되는 냉각수의 수직방향 운동량을 극대화하는 효과를 줄 수 있다. 도 8에서 볼 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 헤드에 설치된 주입관은 수평의 직접주입관에 수직관을 덧댄 형상이다. 직접주입관을 원자로 상부 헤드에 설치하는 것은 본 발명의 다른 구조들, 즉 수직관, 스파져, 경사주입관, 내부 나사선과 결합되어 적용될 수 있어 그 효용이 높다.

상기의 발명의 상세한 설명은 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당업자에게 있어서 명백한 사실이다. 따라서 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 당업자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

(실시예)

비상 냉각수를 저온관이 아닌 안전주입관으로 직접 주입 방식(Direct Vessel Injection: DVI)중 기존의 수평 주입과 안전주입관 주입 중에서도 수직관을 덧대어 주입하는 직접 수직 주입(Direct Vessel Vertical Injection: DVVI)을 비교하는 실험을 수행하였다. 실험 결과는 DVI에 의한 주입 방법론에 대한 수평 주입과 수직 주입의 정성적인 다차원 유동 해석 결과를 통해 나타나는데, 이러한 결과는 간단한 모형에 의존하고 실험적 연구 결과의 뒷받침이 없는 단순한 코드해석이기는 하나, 실제로 다차원 유동 형태가 강수부에서 어떻게 나타나는지에 대해서는 충분히 고려할 만큼의 정보를 제공한다. 다차원 유동 해석에 사용된 CFX 코드는 잘 알려진 다차원 열유체 해석도구이며 도 9와 같이 간단하게 강수부를 모사한 형태를 통해 해석을 수행하였다. 이러한 해석의 조건은 3차원 유동, 직교좌표계에서의 난류 유동 조건이며, 비압축성 유체를 적용하였고, 중력 효과를 고려하였으며, 액체에 의한 단상 유동만을 고려하였다. 계통의 압력은 대기압이며, 계통 온도는 350K, 안전주입수의 온도는 288K로 설정하였으며, 개별 주입속도는 12m/s로 설정하였다.

도 9의 (a)수평 주입 방식과 (b) 수직 주입 방식의 두 형상에 대한 안전주입수의 벡터 분포는 도 10과 같으며 수직방향 주입의 경우 하향 속도 분포가 더 분명하고 넓다는 것을 알 수 있다.

도 11은 초기 안전주입수의 주입속도를 12m/s라고 할 경우 유동장 내에서 동일한 속도 영역(2.5m/s, 5m/s)이 나타나는 면을 나타내고 있는데 (a)는 수평주입시 동일한 속도 2.5m/s를 나타내는 영역이며, (b)는 수직주입시 동일한 속도 2.5m/s를 나타내는 영역이며, (c)는 수평주입시 동일한 속도 5m/s를 나타내는 영역이며, (d)는 수직주입시 동일한 속도 5m/s를 나타내는 영역이며, (e)는 수평주입시 동일한 속도 10m/s를 나타내는 영역이며, (f)는 수직주입시 동일한 속도 10m/s를 나타내는 영역이다. 수직주입과 수평주입의 차이는 이러한 (a),(c),(e)와 (b),(d),(f)의 등속 면을 비교 검토할 경우 더욱 분명하게 나타난다. 즉 수직주입의 경우는 고속의 하향방향 속도 분포가 넓게 자리하고 있다는 것이다. 특히 유동장 내의 안전주입수가 5m/s인 지점의 넓이는 (c)과 (d)를 보면 알 수 있듯이 수직 주입시 더욱 크게 나타나며 이것은 안전주입수의 노심 침투 효과를 극대화 할 수 있는 방법임을 알 수 있다.

안전주입수의 수평 방향과 수직 방향 주입에 대한 해석은 궁극적으로 개별 주입관의 우회를 파악하고 비교해야만 그 성능에 대한 평가가 가능하다.

도 12는 해석에 사용된 강수부 노즐들의 배치와 저온관의 파단 부에 대한 개략도를 보여주며 도 13은 각 개별 DVI관(DVI 1,2,3,4)으로부터의 높이에 따른 속도 분포를 보여준다. 도13의 (a)는 DVI 1에서 수평주입과 수직주입시 높이에 따른 속도 분포를 나타내며, (b)는 DVI 2에서 수평주입과 수직주입시 높이에 따른 속도 분포를 나타내며, (c)는 DVI 3에서 수평주입과 수직주입시 높이에 따른 속도 분포를 나타내며, (d)는 DVI 4에서 수평주입과 수직주입시 높이에 따른 속도 분포를 나타낸다. 속도가 최고를 가리키는 지점이 DVI에 의한 안전주입수의 주입 지점이며, 높이 약 5.5m 지점에 저온관 파단부가 존재하고 있다. 도 14는 수평 주입과 수직주입으로 주입방식이 다른 각 관에서의 속도분포이다. 도 14의 (a)는 수평 방향 주입시 각 관에서의 속도 분포이며, (b)는 수직 방향 주입시 각 관에서의 속도 분포이다. 도 14의 (a)수평방향 주입의 경우 주입관의 위치에 따라 파단 부에서의 속도 차가 크게 나타나며, (b)수직방향 주입의 경우 파단 부에서의 속도 차가 크게 나타나지 않은 상태로 노심으로 침투된다는 것을 보여준다.

이와 같이 수평 주입과 수직 주입의 비교에 대한 연구결과는 수직 주입이 수평주입에 비해 안전주입수의 노심 침투를 향상시킴으로써 성능과 안전성 면에서 우수함을 보여준다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명의 수직관, 스파져, 주입관 내부의 나사선 및 경사 주입관을 이용한 비상 노심 냉각수 원자로용기 직접 주입계통 및 이러한 주입관을 원자로 용기의 상부 헤드에 설치한 직접 주입 계통에 의하면, 비상 노심 냉각수를 원자로 노심 내로 주입할 때에 중력을 이용하는 피동주입형 방식을 채택하고 있으므로 비상 노심 냉각수 주입 후 원자로용기 강수부에서 발생하는 액막퍼짐(impingement), 분산(breakup), 우회(bypass)와 같은 열수력 현상에 의한 원자로용기 직접 주입 계통의 성능 저하를 방지하고, 기존의 수평 주입 방식보다 더 효율적이고 안정적으로 비상 노심 냉각수를 하부공동으로 침투시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 또한 원자력 발전소 계통의 안전성 증대와 더불어 경제성에 있어서도 중요한 역할을 한다. 발전소의 수명이 다하는 순간까지 전혀 사용되지 않는 경우가 대부분인 공학적 안전 설비(ESF: Engineered Safety Feature)를 크게 설계하는 것은 경제적인 면에서 매우 불리한데, 본 발명에 의하면 상대적으로 적은 비상 노심 냉각수 주입 양으로도 안정성의 확보가 가능하므로 설계시 필요 이상으로 큰 용량을 차지하는 장치의 크기를 줄일 수 있어 초기 건설비용 저감 효과를 가져올 수 있다.

또한 본 발명은 현재 국제적으로 개발중인 제4세대(Generation IV) 원자력시스템에서의 사용이 가능하다.

Claims

안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입(Direct Vessel Injection)방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로에 있어서,

원자로 용기에 수평한 안전주입관에 수직관을 덧대어 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 구성되되,

상기 수직관의 입구에 보호판을 부착하여 증기의 저항을 최소화하고 안전주입수의 노심 침투를 극대화하는 것을 특징으로 하는 비상노심냉각수 주입 계통.
(삭제)
(삭제)
제 1항에 있어서, 상기 보호판은 상기 수직관의 입구와 일정한 간격을 두고 연결 설치되는 중앙부가 볼록한 원추형의 판인 것을 특징으로 하는 비상노심냉각수 주입 계통.
안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입(Direct Vessel Injection)방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로에 있어서,

원자로 용기에 수평한 안전주입관에 수직관을 덧대어 안전주입관으로 주입된 냉각수가 수직방향으로 노심으로 침투하도록 구성되되,

상기 수직관의 주입구 내부 면에 나사선을 가공하여 주입되는 안전주입수가 회전하도록 하는 것을 특징으로 하는 비상노심냉각수 주입 계통.
(삭제)
안전주입수가 저온관과 별개로 설치된 안전주입관으로 주입되는 원자로용기 직접 주입방식의 안전주입방식을 가진 가압경수형, 비등경수형, 또는 신형 원자로에 있어서,

안전주입관이 원자로 용기벽면에 일정한 각도를 가지고 설치되어 주입된 냉각수가 일정한 각도로 노심으로 침투하도록 구성되되,

상기 안전주입관의 주입구 내부 면에 나사선을 가공하여 주입되는 안전주입수가 회전하도록 하는 것을 특징으로 하는 비상노심냉각수 주입 계통.
(삭제)